JP5394563B2 - バッテリ制御装置、バッテリシステム、電動車両、充電制御装置、充電器、移動体、電源システム、電力貯蔵装置および電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリ制御装置、それを備えたバッテリシステム、電動車両、移動体、電源システム、電力貯蔵装置および電源装置、ならびにバッテリ制御装置に対応する充電制御装置およびそれを備えた充電器に関する。
電動自動車等の移動体の駆動源として、充放電が可能なバッテリモジュールを複数備えたバッテリシステムが用いられる。また、バッテリモジュールは、例えば複数のバッテリセル(単電池)が直列に接続された構成を有する。
バッテリシステムにおいては、複数のバッテリセルの充電率(SOC)等にばらつきが生じることがある。複数のバッテリセルのSOCを算出し、SOCのばらつきを防止するためには、各バッテリセルの電圧を測定することが望ましい。
特許文献1には、充電器・組電池システムが記載されている。組電池システムは、複数の単電池から構成される組電池を備える。また、充電器は、充電部、電圧調整部および制御ユニットを備える。組電池システムは充電器に接続される。充電部は組電池を充電する。電圧調整部は、制御ユニットによる制御に基づいて各単電池の電圧を測定する。また、電圧調整部は、各単電池の電圧に応じて各単電池の充電を調整する。これにより、複数の単電池の電圧にばらつきが生じることが防止される。
特開2008−125297号公報
特許文献1に記載された充電器・組電池システムにおいては、組電池の各単電池の電圧の測定および充電の調整を行う電圧調整部が充電器に設けられる。そのため、組電池システムを小型で軽量にすることが可能となる。
しかしながら、組電池システムには各バッテリセルの電圧を検出する装置が設けられないため、このような組電池システムを電動車両に使用する場合、電動車両の使用者および各種装置は各バッテリセルの電圧を認識することができない。
本発明の目的は、構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつ各バッテリセルの電圧を得ることが可能なバッテリ制御装置、それを備えたバッテリシステム、電動車両、移動体、電源システム、電力貯蔵装置および電源装置、ならびにバッテリ制御装置に対応する充電制御装置およびそれを備えた充電器を提供することである。
(1)本発明の一局面に従うバッテリ制御装置は、直列接続された複数のバッテリセルに接続されるとともに、複数のバッテリセルの各々の電圧を検出する電圧検出部を有する外部装置に接続可能に構成されたバッテリ制御装置であって、複数のバッテリセルに流れる電流に基づいて各バッテリセルの電圧を算出する算出部と、外部装置から電圧検出部により検出された各バッテリセルの電圧に関する電圧情報を受信する受信部と、受信部により受信された電圧情報に基づいて算出部により算出された電圧を更新する更新部とを備えるものである。
このバッテリ制御装置においては、複数のバッテリセルに流れる電流に基づいて算出部により各バッテリセルの電圧が算出される。それにより、各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部をバッテリ制御装置に設けることなく、バッテリ制御装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。
また、バッテリ制御装置が外部装置に接続されているときには、外部装置の電圧検出部により検出された各バッテリセルの電圧に関する電圧情報が受信部により受信され、算出部により算出された電圧が受信された電圧情報に基づいて更新部により更新される。
その結果、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、バッテリ制御装置において得られる各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
(2)バッテリ制御装置は、各バッテリセルの電圧が予め定められた電圧レンジに属するか否かを判定するレンジ判定部をさらに備え、算出部は、レンジ判定部による判定結果に基づいて各バッテリセルの電圧を補正してもよい。
この場合、各バッテリセルの電圧が予め定められた電圧レンジに属するか否かの判定結果に基づいて、算出された電圧が補正される。それにより、外部装置が接続されないときでも、より正確な電圧が得られる。
(3)レンジ判定部は、基準電圧と各バッテリセルの電圧との比較結果に基づいて各バッテリセルの電圧が電圧レンジに属するか否かを判定してもよい。
この場合、簡単な構成で各バッテリセルの電圧が電圧レンジに属するか否かを判定することができる。それにより、バッテリ制御装置の構成を複雑化することなく、各バッテリセルのより正確な電圧を得ることができる。
(4)バッテリ制御装置は、当該バッテリ制御装置に外部装置が接続されたことを判別する接続判別部をさらに備えてもよい。
この場合、当該バッテリ制御装置に外部装置が接続されたことを判別することにより、バッテリ制御装置が外部装置から各バッテリセルの電圧に関する電圧情報を受信可能であることを認識することができる。それにより、電流に基づいて算出された電圧を外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に適時に更新することが可能となる。
(5)更新部は、接続判別部による接続の判別に応答して電圧情報に基づいて電圧を更新してもよい。
この場合、外部装置の接続時に、電流に基づいて算出された電圧を外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に自動的に更新することが可能となる。
(6)バッテリ制御装置は外部装置に接続可能な外部端子部をさらに備え、外部端子部は、複数のバッテリセルの各々の電極端子に電気的に接続される複数の接続端子を含んでもよい。
この場合、バッテリ制御装置の外部端子部が外部装置に接続されると、外部装置が複数のバッテリセルの電極端子に電気的に接続される。それにより、外部装置を容易に複数のバッテリセルの電極端子に電気的に接続することが可能となる。その結果、外部装置が容易に複数のバッテリセルの各々の電圧を検出することが可能となる。
(7)バッテリ制御装置は複数のバッテリセルの充電状態に関する情報を出力する出力部をさらに備えてもよい。この場合、バッテリ制御装置の使用者または外部装置は容易に複数のバッテリセルの充電状態に関する情報を認識することができる。
(8)本発明の他の局面に従うバッテリシステムは、直列接続された複数のバッテリセルと、複数のバッテリセルに接続される上記の発明に係るバッテリ制御装置とを備えるものである。
このバッテリシステムにおいては、上記の発明に係るバッテリ制御装置に各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設けることなく、電流に基づいて各バッテリセルの電圧を算出することができる。また、バッテリ制御装置に外部装置が接続されたときに、電流に基づいて算出された電圧が外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に更新される。
その結果、バッテリシステムの構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリシステムにおいて各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、バッテリシステムにおいて得られる各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
(9)本発明のさらに他の局面に従う電動車両は、直列接続された複数のバッテリセルと、複数のバッテリセルに接続される上記の発明に係るバッテリ制御装置と、複数のバッテリセルの電力により駆動されるモータと、モータの回転力により回転する駆動輪とを備えるものである。
この電動車両においては、複数のバッテリセルからの電力によりモータが駆動される。そのモータの回転力によって駆動輪が回転することにより、電動車両が移動する。
また、上記の発明に係るバッテリ制御装置に各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設けることなく、電流に基づいて各バッテリセルの電圧を算出することができる。さらに、バッテリ制御装置に外部装置が接続されたときに、電流に基づいて算出された電圧が外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に更新される。
したがって、各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を電動車両に設ける必要がない。これにより、電動車両の構成の複雑化およびコストの増加を抑制することができる。
(10)本発明のさらに他の局面に従う充電制御装置は、上記の発明に係るバッテリ制御装置および複数のバッテリセルに外部装置として接続可能に構成された充電制御装置であって、複数のバッテリセルの各々の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧に関する電圧情報をバッテリ制御装置に送信する送信部とを備えるものである。
この充電制御装置が上記の発明に係るバッテリ制御装置および複数のバッテリセルに接続された場合に、電圧検出部により複数のバッテリセルの各々の電圧が検出され、検出された電圧に関する電圧情報が送信部によりバッテリ制御装置に送信される。
それにより、上記の発明に係るバッテリ制御装置は、充電制御装置から電圧情報を受信し、電流に基づいて算出された電圧を電圧情報に基づいて更新することができる。
その結果、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、充電制御装置をバッテリ制御装置に接続することにより、各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
この場合、バッテリ制御装置には各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設ける必要がないので、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加が抑制される。
また、充電制御装置は複数のバッテリ制御装置に共通に用いることができるので、複数のバッテリ制御装置および充電制御装置の全体としてのコストを低減することができる。
(11)本発明のさらに他の局面に従う充電器は、複数のバッテリセルを充電するための充電部と、複数のバッテリセルに接続可能に構成される上記の発明に係る充電制御装置とを備えるものである。
この充電器が上記の発明に係るバッテリ制御装置および複数のバッテリセルに接続された場合に、複数のバッテリセルを充電部により充電することができる。また、電圧検出部により複数のバッテリセルの各々の電圧が検出され、検出された電圧に関する電圧情報が送信部によりバッテリ制御装置に送信される。
それにより、上記の発明に係るバッテリ制御装置は、充電制御装置から電圧情報を受信し、電流に基づいて算出された電圧を電圧情報に基づいて更新することができる。
その結果、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、充電器をバッテリ制御装置に接続することにより、各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
この場合、バッテリ制御装置には各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設ける必要がないので、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加が抑制される。
また、充電器は複数のバッテリ制御装置に共通に用いることができるので、複数のバッテリ制御装置および充電器の全体としてのコストを低減することができる。
(12)本発明のさらに他の局面に従う移動体は、直列接続された複数のバッテリセルと、複数のバッテリセルに接続される本発明の一局面に従うバッテリ制御装置と、移動本体部と、複数のバッテリセルからの電力を移動本体部を移動させるための動力に変換するものである。
この移動体においては、直列接続された複数のバッテリセルからの電力が動力源により動力に変換され、その動力により移動本体部が移動する。
また、上記の発明に係るバッテリ制御装置に各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設けることなく、電流に基づいて各バッテリセルの電圧を算出することができる。さらに、バッテリ制御装置に外部装置が接続されたときに、電流に基づいて算出された電圧が外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に更新される。
したがって、各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を移動体に設ける必要がない。これにより、移動体の構成の複雑化およびコストの増加を抑制することができる。
(13)本発明のさらに他の局面に従う充電システムは、直列接続された複数のバッテリセルと、複数のバッテリセルに接続される本発明の一局面に従うバッテリ制御装置と、複数のバッテリセルに接続される本発明のさらに他の局面に従う充電器とを備えるものである。
この充電システムにおいては、複数のバッテリセルを充電器の充電部により充電することができる。また、充電器の電圧検出部により複数のバッテリセルの各々の電圧が検出され、検出された電圧に関する電圧情報が充電器の送信部によりバッテリ制御装置に送信される。
それにより、バッテリ制御装置は、充電器から電圧情報を受信し、電流に基づいて算出された電圧を電圧情報に基づいて更新することができる。その結果、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。
この場合、バッテリ制御装置には各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設ける必要がないので、バッテリ制御装置の構成の複雑化およびコストの増加が抑制される。また、充電器は複数のバッテリ制御装置に共通に用いることができるので、複数のバッテリ制御装置および充電器の全体としてのコストを低減することができる。
(14)本発明のさらに他の局面に従う電力貯蔵装置は、直列接続された複数のバッテリセルと、複数のバッテリセルに接続される本発明の一局面に従うバッテリ制御装置と、複数のバッテリセルの充電または放電に関する制御を行うシステム制御部とを備えるものである。
この電力貯蔵装置においては、システム制御部により、複数のバッテリセルの充電または放電に関する制御が行われる。それにより、複数のバッテリセルの劣化、過放電および過充電を防止することができる。
また、バッテリ制御装置に外部装置が接続されたときに、電流に基づいて算出された電圧が外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に更新される。
その結果、電力貯蔵装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつ電力貯蔵装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、電力貯蔵装置において得られる各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
(15)本発明のさらに他の局面に従う電源装置は、外部に接続可能な電源装置であって、本発明のさらに他の局面に従う電力貯蔵装置と、電力貯蔵装置のシステム制御部により制御され、電力貯蔵装置の複数のバッテリセルと外部との間で電力変換を行う電力変換装置とを備えるものである。
この電源装置においては、複数のバッテリセルと外部との間で電力変換装置により電力変換が行われる。電力変換装置が電力貯蔵装置のシステム制御部により制御されることにより、複数のバッテリセルの充電または放電に関する制御が行われる。それにより、複数のバッテリセルの劣化、過放電および過充電を防止することができる。
また、バッテリ制御装置に外部装置が接続されたときに、電流に基づいて算出された電圧が外部装置の電圧検出部により実際に検出された正確な電圧に更新される。
その結果、電源装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつ電源装置において各バッテリセルの電圧を得ることができる。また、電源装置において得られる各バッテリセルの電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
本発明によれば、バッテリ制御装置、バッテリシステム、電動車両、充電制御装置、充電器、移動体、電源システム、電力貯蔵装置ならびに電源装置の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつ各バッテリセルの電圧を得ることができる。
[1]第1の実施の形態
以下、第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置、バッテリシステム、電動車両ならびに充電制御装置および充電器について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態に係るバッテリ制御装置は、電力を駆動源とする電動車両に搭載されるバッテリシステムの構成要素の一部として用いられ、直列接続された複数のバッテリセルの充電状態を算出する。電動車両には、バッテリ電動車両およびプラグインハイブリッド電動車両等が含まれる。本実施の形態においては、電動車両はバッテリ電動車両である。
以下、第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置、バッテリシステム、電動車両ならびに充電制御装置および充電器について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態に係るバッテリ制御装置は、電力を駆動源とする電動車両に搭載されるバッテリシステムの構成要素の一部として用いられ、直列接続された複数のバッテリセルの充電状態を算出する。電動車両には、バッテリ電動車両およびプラグインハイブリッド電動車両等が含まれる。本実施の形態においては、電動車両はバッテリ電動車両である。
以下の説明では、満充電状態でのバッテリセルに蓄積される電荷量を満充電容量と呼ぶ。また、任意の状態でバッテリセルに蓄積されている電荷量を残容量と呼ぶ。さらに、バッテリの満充電容量に対する残容量の比率を充電率(SOC)と呼ぶ。本実施の形態では、バッテリセルの充電状態の一例としてバッテリセルのSOCを用いる。
(1)バッテリシステムおよび充電器の構成
図1は、第1の実施の形態に係るバッテリシステムおよび充電器の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、バッテリシステム500はバッテリモジュール100およびバッテリ制御装置200を備え、後述する電動車両(電動自動車600の負荷602)に接続される。また、バッテリモジュール100の充電の際には、バッテリシステム500は充電器400に接続される。バッテリシステム500はスイッチ501を有する。スイッチ501の切り替えにより、バッテリシステム500が電動車両または充電器400に選択的に接続される。バッテリシステム500と充電器400とが接続されることにより、充電システム1が構成される。本実施の形態において、充電システム1を電動車両に用いる例を説明するが、充電システム1は、充放電が可能な複数のバッテリセル10を備える蓄電装置または民生機器等に用いることもできる。
図1は、第1の実施の形態に係るバッテリシステムおよび充電器の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、バッテリシステム500はバッテリモジュール100およびバッテリ制御装置200を備え、後述する電動車両(電動自動車600の負荷602)に接続される。また、バッテリモジュール100の充電の際には、バッテリシステム500は充電器400に接続される。バッテリシステム500はスイッチ501を有する。スイッチ501の切り替えにより、バッテリシステム500が電動車両または充電器400に選択的に接続される。バッテリシステム500と充電器400とが接続されることにより、充電システム1が構成される。本実施の形態において、充電システム1を電動車両に用いる例を説明するが、充電システム1は、充放電が可能な複数のバッテリセル10を備える蓄電装置または民生機器等に用いることもできる。
バッテリモジュール100は複数のバッテリセル10および電流センサ20を含む。バッテリモジュール100内において、複数のバッテリセル10および電流センサ20は直列接続される。各バッテリセル10は二次電池である。本例では、二次電池としてリチウムイオン電池が用いられる。
バッテリ制御装置200は、処理部210、通信部250、電圧値更新部260、接続判別部270および出力部280を含む。また、バッテリ制御装置200は外部コネクタCN1を有する。外部コネクタCN1は複数の接続端子201および接続端子202を有する。
処理部210は、電圧レンジ判定部220、電流検出部230、電圧値算出部240および記憶部241を含む。電圧レンジ判定部220はバッテリモジュール100の各バッテリセル10の正極端子および負極端子に接続される。複数のバッテリセル10の正極端子および負極端子は、外部コネクタCN1の複数の接続端子201に接続される。通信部250および接続判別部270は、外部コネクタCN1の接続端子202に接続される。
記憶部241は、例えばEEPROM(電気的消去およびプログラム可能リードオンリーメモリ)等の不揮発性メモリを含む。記憶部241は、各バッテリセル10のSOC等を記憶する。出力部280は、後述する処理で得られる各バッテリセル10のSOCの値および複数のバッテリセル10に流れる電流の値等を後述する電動自動車600の主制御部608に与える。また、出力部280はCAN(Controller Area Network)等の通信インターフェースを含む。出力部280は、バッテリセル10の充電状態に関する情報をCAN通信により例えば液晶表示装置等の表示装置に出力する。これにより、バッテリ制御装置200の使用者または充電制御装置300は容易に複数のバッテリセル10の充電状態に関する情報を認識することができる。なお、CAN通信は、バッテリ制御装置200と後述する電動自動車600の主制御部608との間等にも用いられる。
接続判別部270は、バッテリシステム500が充電器400に接続されていることを判別する。バッテリシステム500が充電器400に接続されている場合、電圧値更新部260は、充電器400から与えられる各バッテリセル10の端子電圧の値に基づいて、後述されるように処理部210により算出される各バッテリセル10の端子電圧の値を更新する。バッテリ制御装置200の詳細は後述する。
充電器400は、充電部420および充電制御装置300を備える。充電部420は、AC−DCコンバータ(交流−直流コンバータ)等の電子回路を含み、商用電源等の外部電源700に接続される。充電器400は、外部電源700から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、バッテリシステム500のバッテリモジュール100に与えることにより複数のバッテリセル10を充電する。
充電制御装置300は、電圧検出部320、均等化部340、通信部350、制御部360および出力部380を含む。また、充電制御装置300は、外部コネクタCN2を有する。外部コネクタCN2は複数の接続端子301および接続端子302を有する。充電制御装置300の外部コネクタCN2がバッテリ制御装置200の外部コネクタCN1に接続されることにより、外部コネクタCN1の複数の接続端子201と外部コネクタCN2の複数の接続端子301とが接続されるとともに、外部コネクタCN1の接続端子202と外部コネクタCN2の接続端子302とが接続される。
均等化部340は、外部コネクタCN2の複数の接続端子301に接続される。また、均等化部340は電圧検出部320に接続される。通信部350は、外部コネクタCN2の接続端子302に接続される。
バッテリ制御装置200の外部コネクタCN1と充電制御装置300の外部コネクタCN2とを接続することにより、充電制御装置300を容易に複数のバッテリセル10の正極端子および負極端子に電気的に接続することが可能となる。この場合、後述するように、充電制御装置300の電圧検出部320は容易に複数のバッテリセル10の各々の端子電圧を検出することが可能となる。また、均等化部340は、後述するように容易に複数のバッテリセル10の均等化処理を行うことが可能となる。
制御部360は、均等化部340および電圧検出部320を介して、バッテリシステム500のバッテリモジュール100が充電器400に接続されたことを検出する。また、通信部350は、バッテリモジュール100が充電器400に接続されたことを示す接続信号をバッテリシステム500の接続判別部270に送信する。この場合、例えば、バッテリシステム500が充電器400に接続されたときに作動する機械的または電気的なスイッチが充電器400に設けられる。通信部350は、充電器400のスイッチの作動に応答して接続信号を送信する。
(2)充電制御装置の構成
図2は、図1の主として充電制御装置300の構成を示すブロック図である。図2に示すように、均等化部340は、複数の抵抗Rおよびスイッチング素子SWを含む。抵抗Rおよびスイッチング素子SWを含む直列回路が、外部コネクタCN2の隣り合う各2つの接続端子301間に接続される。これにより、外部コネクタCN2が外部コネクタCN1に接続された状態で、バッテリモジュール100の各バッテリセル10の正極端子と負極端子との間に抵抗Rとスイッチング素子SWとが直列に接続される。スイッチング素子SWのオンおよびオフは、制御部360により制御される。なお、通常状態では、スイッチング素子SWはオフになっている。
図2は、図1の主として充電制御装置300の構成を示すブロック図である。図2に示すように、均等化部340は、複数の抵抗Rおよびスイッチング素子SWを含む。抵抗Rおよびスイッチング素子SWを含む直列回路が、外部コネクタCN2の隣り合う各2つの接続端子301間に接続される。これにより、外部コネクタCN2が外部コネクタCN1に接続された状態で、バッテリモジュール100の各バッテリセル10の正極端子と負極端子との間に抵抗Rとスイッチング素子SWとが直列に接続される。スイッチング素子SWのオンおよびオフは、制御部360により制御される。なお、通常状態では、スイッチング素子SWはオフになっている。
電圧検出部320は、複数の差動増幅器321、マルチプレクサ322およびA/D変換器(アナログ/デジタル変換器)323を含む。
各差動増幅器321は2つの入力端子および出力端子を有する。各差動増幅器321は、2つの入力端子に入力された電圧を差動増幅し、増幅された電圧を出力端子から出力する。各差動増幅器321の2つの入力端子は、外部コネクタCN2の隣り合う各2つの接続端子301間に接続される。これにより、外部コネクタCN2が外部コネクタCN1に接続された状態で、各差動増幅器321の2つの入力端子が各バッテリセル10の正極端子および負極端子に接続される。
各バッテリセル10の電圧は、各差動増幅器321により差動増幅される。各差動増幅器321の出力電圧は各バッテリセル10の端子電圧に相当する。複数の差動増幅器321から出力される端子電圧はマルチプレクサ322に与えられる。マルチプレクサ322は、複数の差動増幅器321から与えられる端子電圧を順次A/D変換器323に出力する。A/D変換器323は、マルチプレクサ322から出力される端子電圧をデジタルの電圧値に変換し、制御部360に与える。
制御部360は、例えばCPU(中央演算処理装置)およびメモリ、またはマイクロコンピュータにより構成される。制御部360は、あるバッテリセル10の端子電圧が他のバッテリセル10の端子電圧よりも高いことを検出した場合、高い端子電圧を有するバッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWをオンにする。これにより、そのバッテリセル10に充電された電荷の一部が抵抗Rを通して放電される。
そのバッテリセル10の端子電圧が他のバッテリセル10の端子電圧と略等しくなるまで低下すると、制御部360は、そのバッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWをオフにする。このようにして、全てのバッテリセル10の開放電圧が均等化される。
出力部380は、液晶表示装置等の表示装置を含む。制御部360は、各バッテリセル10の端子電圧を出力部380に表示させるとともに、各バッテリセル10の端子電圧を通信部350に与える。通信部350は、外部コネクタCN2が外部コネクタCN1に接続された状態で、制御部360から与えられた各バッテリセル10の端子電圧を示す電圧情報を外部コネクタCN2の接続端子302および外部コネクタCN1の接続端子202を通して図1のバッテリシステム500の通信部250に送信する。
このように、電圧検出部320は各バッテリセル10の端子電圧を高精度で検出する機能を有するとともに、複数のバッテリセル10の開放電圧を均等化する機能を有する。
(3)処理部の構成
図3Aは、図1の電圧レンジ判定部220、電流検出部230および電圧値算出部240の構成を示すブロック図である。図3Aの例では、説明を簡略化するため、2個のバッテリセル10を備えるバッテリモジュール100について説明する。ここで、一方のバッテリセル10の端子電圧をV1とし、他方のバッテリセル10の端子電圧をV2とする。
図3Aは、図1の電圧レンジ判定部220、電流検出部230および電圧値算出部240の構成を示すブロック図である。図3Aの例では、説明を簡略化するため、2個のバッテリセル10を備えるバッテリモジュール100について説明する。ここで、一方のバッテリセル10の端子電圧をV1とし、他方のバッテリセル10の端子電圧をV2とする。
図3Aに示すように、電流検出部230は、A/D変換器231および電流値算出部232を含む。バッテリモジュール100の電流センサ20は、複数のバッテリセル10に流れる電流の値を電圧として出力する。A/D変換器231は、電流センサ20の出力電圧をデジタル値に変換する。電流値算出部232は、A/D変換器231により得られるデジタル値に基づいて電流の値を算出する。
電圧レンジ判定部220は、基準電圧部221、差動増幅器222、比較器223、判定制御部224、複数のスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100およびコンデンサC1を含む。スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100は、例えばトランジスタからなる。
差動増幅器222は2つの入力端子および出力端子を有する。スイッチング素子SW01は一方のバッテリセル10の正極端子とノードN1との間に接続され、スイッチング素子SW02は他方のバッテリセル10の正極端子とノードN1との間に接続される。スイッチング素子SW11は一方のバッテリセル10の負極端子とノードN2との間に接続され、スイッチング素子SW12は他方のバッテリセル10の負極端子とノードN2との間に接続される。スイッチング素子SW21はノードN1とノードN3との間に接続され、スイッチング素子SW22はノードN2とノードN4との間に接続される。コンデンサC1はノードN3とノードN4との間に接続される。スイッチング素子SW31はノードN3と差動増幅器222の一方の入力端子との間に接続され、スイッチング素子SW32はノードN4と差動増幅器222の他方の入力端子との間に接続される。差動増幅器222は、2つの入力端子に入力された電圧を差動増幅し、増幅された電圧を出力端子から出力する。差動増幅器222の出力電圧は比較器223の一方の入力端子に与えられる。
スイッチング素子SW100は、複数の端子CP0,CP1,CP2,CP3,CP4を含む。基準電圧部221は4つの基準電圧出力部221a,221b,221c,221dを有する。基準電圧出力部221a〜221dは、基準電圧としてそれぞれ下限電圧Vref_UV,下側中間電圧Vref1,上側中間電圧Vref2および上限電圧Vref_OVを端子CP1,CP2,CP3,CP4に出力する。ここで、上限電圧Vref_OVは上側中間電圧Vref2よりも高く、上側中間電圧Vref2は下側中間電圧Vref1よりも高く、下側中間電圧Vref1は下限電圧Vref_UVよりも高い。下側中間電圧Vref1は例えば3.70[V]であり、上側中間電圧Vref2は例えば3.75[V]である。
スイッチング素子SW100は、複数の端子CP1〜CP4のうち1つが端子CP0に接続されるように切り替えられる。スイッチング素子SW100の端子CP0は比較器223の他方の入力端子に接続される。比較器223は、2つの入力端子に入力された電圧の大きさを比較し、その比較結果を示す信号を出力端子から出力する。
本例において、差動増幅器222の出力電圧が端子CP0の電圧以上の場合、比較器223は論理“1”(例えばハイレベル)の信号を出力する。また、差動増幅器222の出力電圧が端子CP0の電圧よりも低い場合、比較器223は論理“0”(例えばローレベル)の信号を出力する。
判定制御部224は、複数のスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100の切り替えを制御するとともに、比較器223の出力信号に基づいてバッテリモジュール100のバッテリセル10の電圧が複数の電圧レンジのうちいずれの電圧レンジ内にあるかを判定する。バッテリセル10の電圧レンジ判定処理は後述する。
電圧値算出部240は、積算部242、SOC算出部243、OCV推定部244、電圧推定部245および電圧補正部246を含む。
積算部242は、複数のバッテリセル10に流れる電流の値を電流検出部230から一定時間ごとに取得し、取得した電流の値を積算することにより電流積算値を算出する。
SOC算出部243は、記憶部241に記憶される各バッテリセル10のSOCおよび積算部242により算出された電流積算値に基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを算出する。その後、SOC算出部243は、後述する電圧補正部246から与えられるSOCおよび積算部242により算出された電流積算値に基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを算出する。
OCV推定部244は、SOC算出部243により算出された各バッテリセル10のSOCに基づいて各バッテリセル10の現時点の開放電圧(OCV)を推定する。
電圧推定部245は、電流値算出部232により算出された複数のバッテリセル10に流れる電流の値およびOCV推定部244により推定された各バッテリセル10のOCVに基づいて、各バッテリセル10の現時点の端子電圧を推定する。
電圧補正部246は図示しないタイマを含む。電圧補正部246は、判定制御部224により判定された各バッテリセル10の電圧レンジに基づいて、電圧推定部245により推定された各バッテリセル10の現時点の端子電圧を補正し、補正された端子電圧に基づいて現時点のOCVを補正し、補正されたOCVに基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する。補正された各バッテリセル10のSOCおよび端子電圧等の充電状態に関する情報は、図1の出力部280から出力されることにより表示装置に表示されてもよい。
また、電圧補正部246は、補正された各バッテリセル10の現時点のSOCをSOC算出部243に与えるとともに、積算部242により算出された電流積算値をリセットする。さらに、図1の電圧値更新部260は、充電器400から各バッテリセル10の端子電圧の値を与えられた場合、電圧補正部246により補正された各バッテリセル10の現時点の端子電圧を更新する。
本実施の形態では、電圧値算出部240は、CPU(中央演算処理装置)およびメモリ等のハードウェア、およびコンピュータプログラム等のソフトウェアにより実現される。積算部242、SOC算出部243、OCV推定部244、電圧推定部245および電圧補正部246は、コンピュータプログラムのモジュールに相当する。この場合、CPUがメモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、積算部242、SOC算出部243、OCV推定部244、電圧推定部245および電圧補正部246の機能が実現される。なお、積算部242、SOC算出部243、OCV推定部244、電圧推定部245および電圧補正部246の一部または全てがハードウェアにより実現されてもよい。
同様に、本実施の形態では、判定制御部224および電流値算出部232は、CPUおよびメモリ等のハードウェア、およびコンピュータプログラム等のソフトウェアにより実現される。判定制御部224および電流値算出部232は、コンピュータプログラムのモジュールに相当する。この場合、CPUがメモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、判定制御部224および電流値算出部232の機能が実現される。なお、判定制御部224および電流値算出部232の一部または全てがハードウェアにより実現されてもよい。
(4)バッテリセルの電圧レンジ判定処理
判定制御部224によるバッテリセル10の電圧レンジ判定処理を説明する。図4は、判定制御部224による電圧レンジ判定処理を示すフローチャートである。本実施の形態では、判定制御部224を構成するCPUがメモリに記憶された電圧レンジ判定処理プログラムを実行することにより電圧レンジ判定処理が行われる。また、図5は、各スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100の状態を示す図である。判定制御部224は図5の状態をデータとして予め記憶している。
判定制御部224によるバッテリセル10の電圧レンジ判定処理を説明する。図4は、判定制御部224による電圧レンジ判定処理を示すフローチャートである。本実施の形態では、判定制御部224を構成するCPUがメモリに記憶された電圧レンジ判定処理プログラムを実行することにより電圧レンジ判定処理が行われる。また、図5は、各スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100の状態を示す図である。判定制御部224は図5の状態をデータとして予め記憶している。
図4および図5に示すように、判定制御部224は、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100を順に状態ST1、状態ST2および状態ST3に設定する(ステップS9−1)。状態ST1,ST2,ST3においては、スイッチング素子SW100は端子CP2に切り替えられる。それにより、比較器223に基準電圧出力部221bからの下側中間電圧Vref1が与えられる。
状態ST1にて、スイッチング素子SW01,SW11,SW21,SW22がオンされ、スイッチング素子SW02,SW12,SW31,SW32がオフされる。これにより、コンデンサC1が一方のバッテリセル10の端子電圧V1に充電される。
次に、状態ST2にて、スイッチング素子SW21,SW22がオフにされる。これにより、コンデンサC1がバッテリセル10から切り離される。
その後、状態ST3にて、スイッチング素子SW31,SW32がオンにされる。これにより、コンデンサC1の電圧が一方のバッテリセル10の端子電圧V1として比較器223に与えられる。
この場合、比較器223は、下側中間電圧Vref1と一方のバッテリセル10の端子電圧V1とを比較し、比較結果L11を示す論理“1”または“0”の信号を出力する。ここで、判定制御部224は、下側中間電圧Vref1と一方のバッテリセル10の端子電圧V1との比較結果L11を取得する(ステップS9−2)。
次に、判定制御部224は、スイッチングSW100を状態ST4に設定する(ステップS9−3)。状態ST4において、スイッチング素子SW100は端子CP3に切り替えられる。それにより、比較器223に基準電圧出力部221cからの上側中間電圧Vref2が与えられる。
この場合、比較器223は、上側中間電圧Vref2と一方のバッテリセル10の端子電圧V1とを比較し、比較結果L12を示す論理“1”または“0”の信号を出力する。ここで、判定制御部224は、上側中間電圧Vref2と一方のバッテリセル10の端子電圧V1との比較結果L12を取得する(ステップS9−4)。
その後、判定制御部224は、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100を順に状態ST5、状態ST6、状態ST7および状態ST8に設定する(ステップS9−5)。状態ST5においては、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32はオフに設定される。それにより、コンデンサC1がバッテリセル10から切り離される。
状態ST6にて、スイッチング素子SW02,SW12,SW21,SW22がオンされる。これにより、コンデンサC1が他方のバッテリセル10の端子電圧V2に充電される。
次に、状態ST7にて、スイッチング素子SW21,SW22がオフにされる。これにより、コンデンサC1が他方のバッテリセル10から切り離される。
その後、状態ST8にて、スイッチング素子SW31,SW32がオンにされる。これにより、コンデンサC1の電圧が他方のバッテリセル10の端子電圧V2として比較器223に与えられる。
この場合、比較器223は、上側中間電圧Vref2と他方のバッテリセル10の端子電圧V2とを比較し、比較結果L22を示す論理“1”または“0”の信号を出力する。ここで、判定制御部224は、上側中間電圧Vref2と他方のバッテリセル10の端子電圧V2との比較結果L22を取得する(ステップS9−6)。
次に、判定制御部224は、スイッチングSW100を状態ST9に設定する(ステップS9−7)。状態ST9において、スイッチング素子SW100は端子CP2に切り替えられる。それにより、比較器223に基準電圧出力部221bからの下側中間電圧Vref1が与えられる。
この場合、比較器223は、下側中間電圧Vref1と他方のバッテリセル10の端子電圧V2とを比較し、比較結果L21を示す論理“1”または“0”の信号を出力する。ここで、判定制御部224は、下側中間電圧Vref1と他方のバッテリセル10の端子電圧V2との比較結果L21を取得する(ステップS9−8)。
その後、判定制御部224はスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100を状態ST10に設定する(ステップS9−9)。状態ST10においては、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32はオフに設定される。それにより、コンデンサC1がバッテリセル10から切り離される。
最後に、判定制御部224は、取得された比較結果L11,L12から一方のバッテリセル10の電圧レンジL1を判定するとともに、取得された比較結果L21,L22から他方のバッテリセル10の電圧レンジL2を判定する(ステップS9−10)。
図6は、バッテリセル10の端子電圧と電圧レンジとの関係を示す図である。図6に示すように、電圧レンジ“0”は下側中間電圧Vref1よりも低く、電圧レンジ“1”は下側中間電圧Vref1以上でかつ上側中間電圧Vref2未満の範囲であり、電圧レンジ“2”は上側中間電圧Vref2以上である。図7は、比較器223の比較結果と電圧レンジとの関係を示す図である。
図7において、nは複数のバッテリセル10の各々を特定するための正の整数である。本例では、Ln1,Ln2は一方のバッテリセル10に対応する比較結果L11,L12または他方のバッテリセル10に対応する比較結果L21,L22であり、Vnは一方のバッテリセル10の端子電圧V1または他方のバッテリセル10の端子電圧V2である。
図7に示すように、比較器223の比較結果Ln1,Ln2がともに論理“0”である場合、判定制御部224は電圧レンジLnを“0”と判定する。これは、バッテリセル10の端子電圧Vnが下側中間電圧Vref1未満であることを示す。
また、比較器223の比較結果Ln1が論理“1”であり、比較結果Ln2が論理“0”である場合、判定制御部224は電圧レンジLnを“1”と判定する。これは、バッテリセル10の端子電圧Vnが下側中間電圧Vref1以上でかつ上側中間電圧Vref2未満であることを示す。
さらに、比較器223の比較結果Ln1,Ln2がともに論理“1”である場合、判定制御部224は電圧レンジLnを“2”と判定する。これは、バッテリセル10の端子電圧Vnが上側中間電圧Vref2以上であることを示す。
なお、比較器223の比較結果Ln1が論理“0”であり、比較結果Ln2が論理“1”である場合、判定制御部224は電圧レンジLnを判定しない。これは、バッテリセル10の端子電圧Vnが下側中間電圧Vref1未満でありながら、上側中間電圧Vref2を超えていることを示すためである。このような状況は、基準電圧部221、差動増幅器222または比較器223が故障している場合に発生すると考えられる。
図4のステップS9−10においては、図7の関係に基づいて一方のバッテリセル10の端子電圧V1および他方のバッテリセル10の端子電圧V2が電圧レンジ“0”,“1”,“2”のいずれにあるかが判定される。
また、本例において、電圧レンジ判定部220は、バッテリセル10の過充電および過放電を検出する充電量検出部の機能を有する。図3Bは、図3Aの電圧レンジ判定部220の構成を示すブロック図である。
図3Bに示すように、電圧レンジ判定部220は、充電量検出部220bおよび基準電圧出力部221b,221cを含む。従来、バッテリセル10の充放電および過放電を検出するために、例えば図3Bの破線で囲まれた構成からなる充電量検出部220bが用いられていた。
本例においては、従来の充電量検出部220bに下側中間電圧Vref1を出力する基準電圧出力部221bおよび上側中間電圧Vref2を出力する上側中間電圧Vref2を加えることにより、従来の充電量検出部220bが電圧レンジ判定部220に転用される。以下、従来の充電量検出部220bの動作を説明する。
充電量検出部220bは、基準電圧出力部221a,221d、差動増幅器222、比較器223、判定制御部224および複数のスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW32,SW100およびコンデンサC1を含む。基準電圧出力部221a,221dは、基準電圧としてそれぞれ下限電圧Vref_UVおよび上限電圧Vref_OVを端子CP1,CP4に出力する。
スイッチング素子SW100が端子CP1に切り替えられることにより、基準電圧出力部221aからの下限電圧Vref_UVが比較器223に与えられる。この状態で、各バッテリセル10の端子電圧がコンデンサC1および差動増幅器222を介して比較器223に与えられることにより、下限電圧Vref_UVと各バッテリセル10の端子電圧とが比較される。同様に、スイッチング素子SW100が端子CP4に切り替えられることにより、基準電圧出力部221dからの上限電圧Vref_OVが比較器223に与えられる。この状態で、各バッテリセル10の端子電圧がコンデンサC1および差動増幅器222を介して比較器223に与えられることにより、上限電圧Vref_OVと各バッテリセル10の端子電圧とが比較される。
バッテリセル10の端子電圧が下限電圧Vref_UVよりも低い場合、バッテリセル10が過放電状態にある。また、バッテリセル10の端子電圧が上限電圧Vref_OVよりも高い場合、バッテリセル10が過充電状態にある。
判定制御部224は、このような過放電状態または過充電状態を示す比較結果を取得した場合、バッテリモジュール100に直列に接続されるコンタクタ(図示せず)をオフにする。それにより、各バッテリセル10の充電または放電が停止される。その結果、過放電または過充電による各バッテリセル10の劣化を抑制することができる。
図3Aの電圧レンジ判定部220の下側中間電圧Vref1および上側中間電圧Vref2以外の基準電圧(本例では、下限電圧Vref_UVおよび上限電圧Vref_OV)はバッテリセル10の過充電および過放電を検出するための基準電圧として、従来の充電量検出部220bに使用されている。本例においては、電圧レンジ判定部220に基準電圧として下側中間電圧Vref1および上側中間電圧Vref2を加えることにより、コストの増加を抑制しつつ電圧レンジを判定することが可能となる。
(5)バッテリセルのSOC算出処理
バッテリ制御装置200によるバッテリセル10のSOC算出処理を説明する。図8〜図10は、バッテリ制御装置200によるSOC算出処理のフローチャートである。本実施の形態では、CPUがメモリに記憶されたSOC算出処理プログラムを実行することによりSOC算出処理が行われる。
バッテリ制御装置200によるバッテリセル10のSOC算出処理を説明する。図8〜図10は、バッテリ制御装置200によるSOC算出処理のフローチャートである。本実施の形態では、CPUがメモリに記憶されたSOC算出処理プログラムを実行することによりSOC算出処理が行われる。
図8および図9に示すように、電動自動車600の始動指示部607(後述する図15)のイグニションキーがオンされると、バッテリシステム500が起動し、電圧補正部246は、積算部242により算出された電流積算値をリセットする(ステップS1)。次に、SOC算出部243は、記憶部241から各バッテリセル10のSOCを取得する(ステップS2)。記憶部241には、前回のSOC算出処理においてイグニションキーがオフされた際のSOCが記憶されている。ここで、電圧補正部246は、タイマをセットする(ステップS3)。それにより、タイマが経過時間の計測を開始する。タイマのセットにより計測値tが0となる。
その後、電流値算出部232が複数のバッテリセル10に流れる電流の値を取得する(ステップS4)。また、積算部242は、電流値算出部232により取得された電流の値を積算することにより電流積算値を算出する(ステップS5)。SOC算出部243は、算出された電流積算値および取得されたSOCに基づいて、現時点のSOCを算出する(ステップS6)。i番目のバッテリセル10の前時点のSOCの値をSOC(i)[%]とし、電流積算値をΣI[Ah]とし、i番目のバッテリセル10の満充電容量をC(i)[Ah]とすると、i番目のバッテリセル10の現時点のSOCの値SOC_new(i)は、例えば次式(1)により算出される。ここで、iは1からバッテリセル10の個数を示す値までの任意の整数である。
SOC_new(i)
=SOC(i)+ΣI/C(i) [%] ・・・(1)
次に、OCV推定部244は、算出された現時点のSOCから各バッテリセル10の現時点のOCVを推定する(ステップS7)。図11は、i番目のバッテリセル10のSOCとOCVとの関係を示す図である。図11の関係は、予めOCV推定部244に記憶される。各バッテリセル10のOCVは、例えば図11の関係を参照することにより推定される。バッテリセル10のSOCとOCVとの関係は、関数として記憶されてもよく、表の形式で記憶されてもよい。
=SOC(i)+ΣI/C(i) [%] ・・・(1)
次に、OCV推定部244は、算出された現時点のSOCから各バッテリセル10の現時点のOCVを推定する(ステップS7)。図11は、i番目のバッテリセル10のSOCとOCVとの関係を示す図である。図11の関係は、予めOCV推定部244に記憶される。各バッテリセル10のOCVは、例えば図11の関係を参照することにより推定される。バッテリセル10のSOCとOCVとの関係は、関数として記憶されてもよく、表の形式で記憶されてもよい。
また、電圧推定部245は、各バッテリセル10の現時点のOCVから現時点の端子電圧を推定する(ステップS8)。i番目のバッテリセル10の現時点のOCVをV0(i)[V]とし、複数のバッテリセル10に流れる電流の値をI[A]とし、i番目のバッテリセル10の内部インピーダンスをZ(i)[Ω]とすると、i番目のバッテリセル10の現時点の端子電圧Vest(i)は、例えば次式(2)により推定される。
Vest(i)=V0(i)+I×Z(i) [V] ・・・(2)
ここで、電流の値Iは充電時には正であり、放電時には負である。なお、各バッテリセル10の内部インピーダンスとして、予め測定された値を使用してもよいし、後述するように、バッテリシステム500を充電器400に接続した際に各バッテリセル10の端子電圧および複数のバッテリセル10に流れる電流を測定し、その端子電圧と電流との関係から内部インピーダンスを算出してもよい。この場合、内部インピーダンスは、記憶部241に記憶される。
ここで、電流の値Iは充電時には正であり、放電時には負である。なお、各バッテリセル10の内部インピーダンスとして、予め測定された値を使用してもよいし、後述するように、バッテリシステム500を充電器400に接続した際に各バッテリセル10の端子電圧および複数のバッテリセル10に流れる電流を測定し、その端子電圧と電流との関係から内部インピーダンスを算出してもよい。この場合、内部インピーダンスは、記憶部241に記憶される。
次に、図4で説明したように、判定制御部224は電圧レンジを判定する(ステップS9)。電圧補正部246は、電圧レンジが“1”であるか否かを判定する(ステップS10)。電圧レンジが“1”である場合、すなわち各バッテリセル10の端子電圧が下側中間電圧Vref1以上でかつ上側中間電圧Vref2未満である場合、電圧補正部246は、次の方法で各バッテリセル10の現時点の端子電圧を補正する(ステップS11)。スムージング係数をαとすると、i番目のバッテリセル10の補正後の端子電圧Vest_new(i)は、例えば次式(3)により算出される。スムージング係数αは0以上1以下である。
Vest_new(i)
=α×Vest(i)+(1−α)×(Vref1+Vref2)/2
[V] ・・・(3)
また、電圧補正部246は、補正された各バッテリセル10の現時点の端子電圧に基づいて、次の方法で各バッテリセル10の現時点のOCVを補正する(ステップS12)。i番目のバッテリセル10の補正後のOCVの値V0_new(i)は、例えば次式(4)により算出される。
=α×Vest(i)+(1−α)×(Vref1+Vref2)/2
[V] ・・・(3)
また、電圧補正部246は、補正された各バッテリセル10の現時点の端子電圧に基づいて、次の方法で各バッテリセル10の現時点のOCVを補正する(ステップS12)。i番目のバッテリセル10の補正後のOCVの値V0_new(i)は、例えば次式(4)により算出される。
V0_new(i)
=V0(i)+(Vest_new(i)−Vest(i)) [V]
・・・(4)
さらに、電圧補正部246は、補正された現時点のOCVに基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する(ステップS13)。補正後の現時点のSOCは、例えば図11の関係を参照することにより求められる。
=V0(i)+(Vest_new(i)−Vest(i)) [V]
・・・(4)
さらに、電圧補正部246は、補正された現時点のOCVに基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する(ステップS13)。補正後の現時点のSOCは、例えば図11の関係を参照することにより求められる。
次に、電圧補正部246は、積算部242により算出された電流積算値をリセットする(ステップS14)。その後、電圧補正部246は、タイマの計測値tが所定時間Tに達するまで待機する(ステップS15)。タイマの計測値tが所定時間Tに達すると、電圧補正部246はステップS3の処理に戻る。以後、記憶部241に記憶された各バッテリセル10のSOCの代わりに、電圧補正部246により補正されたバッテリセル10の現時点のSOCを用いて、ステップS3からステップS15までの処理が繰り返される。
なお、ステップS10で、電圧レンジが“1”でない場合、すなわち電圧レンジが“0”の場合(各バッテリセル10の端子電圧が下側中間電圧Vref1未満の場合)または“2”の場合(各バッテリセル10の端子電圧が上側中間電圧Vref2以上の場合)には、各バッテリセル10の端子電圧が上式(3)により適切に補正されないと考えられる。そのため、電圧補正部246は、端子電圧の補正、OCVの補正およびSOCの補正を行わずにステップS15の処理に進む。
一方、図10に示すように、電動自動車600の始動指示部607(後述する図15)のイグニションキーがオフされると、SOC算出部243は、各バッテリセル10の現時点のSOCを記憶部241に記憶する(ステップS20)。この場合、記憶部241に記憶されたSOCが現時点のSOCに更新される。その後、バッテリシステム500が停止する。
(6)充電中におけるバッテリセルのSOC算出処理
充電中におけるバッテリ制御装置200によるバッテリセル10のSOC算出処理を説明する。図12は、充電中におけるバッテリ制御装置200によるSOC算出処理のフローチャートである。本実施の形態では、CPUがメモリに記憶されたSOC算出処理プログラムを実行することによりSOC算出処理が行われる。
充電中におけるバッテリ制御装置200によるバッテリセル10のSOC算出処理を説明する。図12は、充電中におけるバッテリ制御装置200によるSOC算出処理のフローチャートである。本実施の形態では、CPUがメモリに記憶されたSOC算出処理プログラムを実行することによりSOC算出処理が行われる。
なお、充電中には、図8〜図10に記載されたバッテリセルのSOC算出処理が並行して行われる。
バッテリシステム500が充電器400に接続されると、接続判別部270は、バッテリシステム500が充電器400に接続されていることを示す接続信号を充電器400から受信する(ステップS101)。次に、通信部250は、バッテリセル10の充電を許可しないことを示す充電不許可信号を充電器400に送信する(ステップS102)。これにより、後述するように、充電器400の電圧検出部320により各バッテリセル10の端子電圧が検出され、検出された端子電圧を示す電圧情報が充電器400から送信される。ここで、バッテリ制御装置200の通信部250は、各バッテリセル10の端子電圧を示す電圧情報を充電器400から受信する(ステップS103)。
電圧値更新部260は、電圧情報により得られた各バッテリセル10の端子電圧に基づいて、各バッテリセル10の現時点の端子電圧を更新する(ステップS104)。電圧情報により得られたi番目のバッテリセル10の端子電圧をVbat(i)[V]とし、i番目のバッテリセル10の現時点の端子電圧をVest(i)[V]とし、スムージング係数をβとすると、i番目のバッテリセル10の更新後の現時点の端子電圧Vest_new(i)は、例えば次式(5)により算出される。スムージング係数βは0以上1以下である。
Vest_new(i)
=β×Vbat(i)+(1−β)×Vest(i) [V]
・・・(5)
ここで、更新前の現時点の端子電圧Vestは、図9のステップS11において上式(3)に基づいて補正された端子電圧Vest_new(i)または図8のステップS8において上式(2)により推定された端子電圧Vest(i)(補正されない場合)である。充電器400の電圧検出部320により実際に検出される端子電圧は、電流積算値に基づいて算出される端子電圧よりも正確である。したがって、上記の処理により、より正確な端子電圧が得られる。
=β×Vbat(i)+(1−β)×Vest(i) [V]
・・・(5)
ここで、更新前の現時点の端子電圧Vestは、図9のステップS11において上式(3)に基づいて補正された端子電圧Vest_new(i)または図8のステップS8において上式(2)により推定された端子電圧Vest(i)(補正されない場合)である。充電器400の電圧検出部320により実際に検出される端子電圧は、電流積算値に基づいて算出される端子電圧よりも正確である。したがって、上記の処理により、より正確な端子電圧が得られる。
そこで、電圧補正部246は、更新された現時点の端子電圧に基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する(ステップS105)。SOCの補正は以下の手順で行われる。まず、電圧補正部246は、更新された各バッテリセル10の現時点の端子電圧に基づいて、各バッテリセル10の現時点のOCVを補正する。ここで、現時点のOCVは、図9のステップS12において上式(4)に基づいて算出されたOCVの値V0_new(i)または図8のステップS7において推定されたOCVの値(補正されない場合)である。i番目のバッテリセル10の補正後の現時点のOCVの値V0_new(i)は、例えば次式(6)により算出される。
V0_new(i)
=V0(i)+(Vest_new(i)−Vest(i)) [V]
・・・(6)
続いて、電圧補正部246は、補正された現時点のOCVに基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する。ここで、現時点のSOCは、図9のステップS13において補正されたSOCまたは図8のステップS6において算出されたSOCである。補正後の現時点のSOCは、例えば図11の関係を参照することにより求められる。これにより、より正確な端子電圧およびより正確なOCVに基づいてより正確なSOCが得られる。
=V0(i)+(Vest_new(i)−Vest(i)) [V]
・・・(6)
続いて、電圧補正部246は、補正された現時点のOCVに基づいて各バッテリセル10の現時点のSOCを補正する。ここで、現時点のSOCは、図9のステップS13において補正されたSOCまたは図8のステップS6において算出されたSOCである。補正後の現時点のSOCは、例えば図11の関係を参照することにより求められる。これにより、より正確な端子電圧およびより正確なOCVに基づいてより正確なSOCが得られる。
さらに、電圧補正部246は、図8のステップS5において積算部242により算出されている電流積算値をリセットする(ステップS106)。その後は、並行して実行されているバッテリセルのSOC算出処理において、より正確なSOCに基づいてその時点のSOCが算出および補正される。
通信部250は、バッテリセル10の充電を許可することを示す充電許可信号を充電器400に送信する(ステップS107)。
その後、通信部250は、各バッテリセル10の内部インピーダンスを示すインピーダンス情報を充電器400から受信する(ステップS108)。以後、バッテリセルのSOC算出処理のステップS8において、より正確な内部インピーダンスに基づいて上式(2)より端子電圧が算出される。充電器400により充電中のSOCは図8および図9のステップS3〜S15の処理により算出される。
また、通信部250は、バッテリセル10の充電の終了を示す充電終了信号を充電器400から受信する(ステップS109)。
最後に、電圧値更新部260は更新された各バッテリセル10の端子電圧を出力部280に表示させるとともに、電圧補正部246は補正された各バッテリセル10のSOCを出力部280に表示させる(ステップS110)。
(7)充電およびバッテリセル電圧検出処理
図1の充電制御装置300によるバッテリセル10の充電およびバッテリセル電圧検出処理を説明する。図13および図14は、充電制御装置300によるバッテリセル10の充電およびバッテリセル電圧検出処理のフローチャートである。本実施の形態では、制御部360を構成するCPUがメモリに記憶された充電およびバッテリセル電圧検出処理プログラムを実行することにより、充電およびバッテリセル電圧検出処理が行われる。
図1の充電制御装置300によるバッテリセル10の充電およびバッテリセル電圧検出処理を説明する。図13および図14は、充電制御装置300によるバッテリセル10の充電およびバッテリセル電圧検出処理のフローチャートである。本実施の形態では、制御部360を構成するCPUがメモリに記憶された充電およびバッテリセル電圧検出処理プログラムを実行することにより、充電およびバッテリセル電圧検出処理が行われる。
バッテリシステム500が充電器400に接続されると、通信部350は、バッテリシステム500が充電器400に接続されていることを示す接続信号をバッテリシステム500に送信する(ステップS201)。その後、通信部350は、バッテリセル10の充電を許可しないことを示す充電不許可信号をバッテリシステム500から受信する(ステップS202)。
ここで、電圧検出部320は、各バッテリセル10の端子電圧を検出する(ステップS203)。これにより、バッテリセル10に充電電流が流れていない状態でバッテリセル10の端子電圧が正確に検出される。この場合、端子電圧は開放電圧(OCV)に等しい。その後、通信部350は、各バッテリセル10の端子電圧を示す電圧情報をバッテリシステム500に送信する(ステップS204)。
次に、制御部360は、各バッテリセル10について均等化処理が必要か否かを判定する(ステップS205)。全てのバッテリセル10のうち、最も低い端子電圧を有するバッテリセル10の端子電圧をVmin[V]とし、最も高い端子電圧を有するバッテリセル10の端子電圧をVmax[V]とすると、均等化処理の必要性は、例えば次式(7)により判定される。
Vmax−Vmin>δ1 ・・・(7)
上式(7)において、δ1は予め定められた正の定数であり、本例においては、例えばδ1=50[mV]に設定される。上式(7)が満たされない場合、制御部360は均等化処理が必要でないと判定する。その場合、制御部360はステップS208の処理に移る。
上式(7)において、δ1は予め定められた正の定数であり、本例においては、例えばδ1=50[mV]に設定される。上式(7)が満たされない場合、制御部360は均等化処理が必要でないと判定する。その場合、制御部360はステップS208の処理に移る。
一方、上式(7)が満たされる場合、制御部360は均等化処理が必要であると判定する。その場合、制御部360は均等化処理が必要なバッテリセル10を判定する。全てのバッテリセル10のうち、i番目のバッテリセル10の端子電圧をV(i)[V]とすると、均等化処理の必要性は、例えば次式(8)により判定される。
V(i)−Vmin>δ2 ・・・(8)
上式(8)において、δ2は予め定められた正の定数であり、本例においては、例えばδ2=20[mV]に設定される。制御部360は、上式(8)を満たすバッテリセル10については均等化処理が必要であると判定する。また、制御部360は、上式(8)を満たさないバッテリセル10については均等化処理が必要でないと判定する。
上式(8)において、δ2は予め定められた正の定数であり、本例においては、例えばδ2=20[mV]に設定される。制御部360は、上式(8)を満たすバッテリセル10については均等化処理が必要であると判定する。また、制御部360は、上式(8)を満たさないバッテリセル10については均等化処理が必要でないと判定する。
制御部360は、上式(8)を満たす全てのバッテリセル10の各々について、均等化に必要な放電時間を算出する(ステップS206)。均等化に必要な放電時間とは、放電によりi番目のバッテリセル10の端子電圧V(i)[V]が最も低い端子電圧を有するバッテリセル10の端子電圧Vmin[V]と略等しくなるまでに要する時間である。
その後、制御部360は、上式(8)を満たす全てのバッテリセル10について、均等化処理を開始する(ステップS207)。ここで、制御部360は、均等化処理が必要な各バッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWをオンにする。これにより、均等化処理が必要な各バッテリセル10に充電された電荷の一部が抵抗Rを通して放電される。図2の抵抗Rの抵抗値は、均等化に必要な放電時間がバッテリセル10の充電が終了するまでに要する時間よりも短くなるように設定されることが好ましい。制御部360は、均等化に必要な放電時間が経過したバッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWを順次オフにする。なお、各バッテリセル10の充電状態によっては、次のステップS208による充電後にも継続して行われる場合もある。
このようにして、全てのバッテリセル10の開放電圧が略均等に保たれる。これにより、一部のバッテリセル10の過充電および過放電を防止することができる。その結果、バッテリセル10の劣化を防止することができる。
次に、制御部360は、通信部350がバッテリセル10の充電を許可することを示す充電許可信号をバッテリシステム500から受信したか否かを判定する(ステップS208)。通信部350が充電許可信号を受信しない場合、制御部360は通信部350が充電許可信号を受信するまで待機する。一方、通信部350が充電許可信号を受信した場合、充電部420はバッテリセル10の充電を開始する(ステップS209)。
ここで、制御部360は各バッテリセル10の内部インピーダンスを算出する(ステップS210)。充電開始直前に検出されたi番目のバッテリセル10の端子電圧をVbat_a(i)[V]とし、充電開始直後に検出されたi番目のバッテリセル10の端子電圧をVbat_b(i)[V]とし、充電開始直前に検出されたバッテリモジュール100の電流をI_a[A]とし、充電開始直後に検出されたバッテリモジュール100の電流をI_b[A]とすると、i番目のバッテリセル10の内部インピーダンスZ(i)は次式(9)により算出される。
Z(i)={Vbat_b(i)−Vbat_a(i)}
/(I_b−I_a) [Ω] ・・・(9)
通信部350は、各バッテリセル10の内部インピーダンスを示すインピーダンス情報をバッテリシステム500に送信する(ステップS211)。さらに、各バッテリセル10の端子電圧の最大値が、満充電時(SOCが100[%])のとき)の端子電圧に達すると、充電部420はバッテリセル10の充電を終了する(ステップS212)。
/(I_b−I_a) [Ω] ・・・(9)
通信部350は、各バッテリセル10の内部インピーダンスを示すインピーダンス情報をバッテリシステム500に送信する(ステップS211)。さらに、各バッテリセル10の端子電圧の最大値が、満充電時(SOCが100[%])のとき)の端子電圧に達すると、充電部420はバッテリセル10の充電を終了する(ステップS212)。
その後、制御部360は、均等化処理が終了しているか否かを判定する(ステップS213)。均等化処理が終了している場合、制御部360はステップS215の処理に移る。一方、均等化処理が終了していない場合、制御部360は均等化処理を終了する(ステップS214)。均等化処理の終了は、全てのバッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWをオフにすることにより行われる。最後に、通信部350は、バッテリセル10の充電の終了を示す充電終了信号をバッテリシステム500に送信する(ステップS215)。
(8)効果
第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置200においては、複数のバッテリセル10に流れる電流に基づいて電圧値算出部240により各バッテリセル10の端子電圧が算出される。それにより、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部をバッテリ制御装置200に設けることなく、バッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。
第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置200においては、複数のバッテリセル10に流れる電流に基づいて電圧値算出部240により各バッテリセル10の端子電圧が算出される。それにより、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部をバッテリ制御装置200に設けることなく、バッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。
また、電圧レンジ判定部220により各バッテリセル10の端子電圧が予め定められた電圧レンジ“1”に属するか否かが判定され、バッテリセル10の端子電圧が“1”に属する場合に、電流に基づいて算出された端子電圧が電圧値算出部240により補正される。それにより、充電制御装置300が接続されないときでも、より正確な電圧が得られる。
さらに、バッテリ制御装置200が充電制御装置300に接続されているときには、充電制御装置300の電圧検出部320により検出された各バッテリセル10の正確な端子電圧に関する電圧情報が充電制御装置300の通信部350から通信部250に送信される。そして電圧値算出部240により算出および補正された端子電圧が電圧情報に基づいて電圧値更新部260により更新される。
その結果、バッテリ制御装置200の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。また、バッテリ制御装置200において得られる各バッテリセル10の端子電圧を任意のタイミングでより正確な値に更新することができる。
また、電圧レンジ判定部220では、各バッテリセル10の端子電圧と下側中間電圧Vref1および上側中間電圧Vref2とを比較することにより各バッテリセル10の端子電圧が電圧レンジ“1”に属するか否かが判定される。それにより、バッテリ制御装置200の構成を複雑化することなく、各バッテリセル10のより正確な端子電圧を得ることができる。
さらに、接続判別部270により、バッテリ制御装置200に充電制御装置300が接続されたことが判別される。バッテリ制御装置200の電圧値算出部240により算出および補正されたバッテリセル10の端子電圧が充電制御装置300の電圧検出部320により検出された正確な端子電圧に更新される。それにより、充電制御装置300の接続時に、バッテリ制御装置200において電流に基づいて算出された各バッテリセル10の端子電圧が充電制御装置300の電圧検出部320により実際に検出された正確な端子電圧に自動的に更新される。
また、充電制御装置300は複数のバッテリ制御装置200に共通に用いることができるので、複数のバッテリ制御装置200および充電制御装置300の全体としてのコストを低減することができる。
[2]第2の実施の形態
以下、第2の実施の形態に係る電動車両について説明する。本実施の形態に係る電動車両は、第1の実施の形態に係るバッテリシステム500を備える。なお、以下では、電動車両の一例として電動自動車を説明する。
以下、第2の実施の形態に係る電動車両について説明する。本実施の形態に係る電動車両は、第1の実施の形態に係るバッテリシステム500を備える。なお、以下では、電動車両の一例として電動自動車を説明する。
(1)構成および動作
図15は、第2の実施の形態に係る電動自動車の構成を示すブロック図である。図15に示すように、本実施の形態に係る電動自動車600は車体610を備える。車体610に、図1のバッテリシステム500ならびに電力変換部601、図3Aの負荷602としてモータ602M、駆動輪603、アクセル装置604、ブレーキ装置605、回転速度センサ606、始動指示部607および主制御部608が設けられる。モータ602Mが交流(AC)モータである場合には、電力変換部601はインバータ回路を含む。バッテリシステム500には、図1のバッテリ制御装置200が含まれている。
図15は、第2の実施の形態に係る電動自動車の構成を示すブロック図である。図15に示すように、本実施の形態に係る電動自動車600は車体610を備える。車体610に、図1のバッテリシステム500ならびに電力変換部601、図3Aの負荷602としてモータ602M、駆動輪603、アクセル装置604、ブレーキ装置605、回転速度センサ606、始動指示部607および主制御部608が設けられる。モータ602Mが交流(AC)モータである場合には、電力変換部601はインバータ回路を含む。バッテリシステム500には、図1のバッテリ制御装置200が含まれている。
バッテリシステム500は、電力変換部601を介してモータ602Mに接続されるとともに、主制御部608に接続される。
主制御部608には、バッテリシステム500のバッテリ制御装置200から複数のバッテリセル10(図1参照)のSOCおよび複数のバッテリセル10に流れる電流が与えられる。また、主制御部608には、アクセル装置604、ブレーキ装置605および回転速度センサ606が接続される。主制御部608は、例えばCPUおよびメモリ、またはマイクロコンピュータからなる。さらに、主制御部608には始動指示部607が接続されている。
アクセル装置604は、電動自動車600が備えるアクセルペダル604aと、アクセルペダル604aの操作量(踏み込み量)を検出するアクセル検出部604bとを含む。
始動指示部607のイグニションキーがオンの状態で、ユーザによりアクセルペダル604aが操作されると、アクセル検出部604bは、ユーザにより操作されていない状態を基準としてアクセルペダル604aの操作量を検出する。検出されたアクセルペダル604aの操作量が主制御部608に与えられる。
ブレーキ装置605は、電動自動車600が備えるブレーキペダル605aと、ユーザによるブレーキペダル605aの操作量(踏み込み量)を検出するブレーキ検出部605bとを含む。イグニションキーがオンの状態で、ユーザによりブレーキペダル605aが操作されると、ブレーキ検出部605bによりその操作量が検出される。検出されたブレーキペダル605aの操作量が主制御部608に与えられる。回転速度センサ606は、モータ602Mの回転速度を検出する。検出された回転速度は、主制御部608に与えられる。
上記のように、主制御部608には、複数のバッテリセル10のSOC、複数のバッテリセル10に流れる電流、アクセルペダル604aの操作量、ブレーキペダル605aの操作量、およびモータ602Mの回転速度が与えられる。主制御部608は、これらの情報に基づいてバッテリモジュール100の充放電制御および電力変換部601の電力変換制御を行う。例えば、アクセル操作に基づく電動自動車600の発進時および加速時には、バッテリシステム500から電力変換部601にバッテリモジュール100の電力が供給される。
さらに、イグニションキーがオンの状態で、主制御部608は、与えられたアクセルペダル604aの操作量に基づいて、駆動輪603に伝達すべき回転力(指令トルク)を算出し、その指令トルクに基づく制御信号を電力変換部601に与える。
上記の制御信号を受けた電力変換部601は、バッテリシステム500から供給された電力を、駆動輪603を駆動するために必要な電力(駆動電力)に変換する。これにより、電力変換部601により変換された駆動電力がモータ602Mに供給され、その駆動電力に基づくモータ602Mの回転力が駆動輪603に伝達される。
一方、ブレーキ操作に基づく電動自動車600の減速時には、モータ602Mは発電装置として機能する。この場合、電力変換部601は、モータ602Mにより発生された回生電力を複数のバッテリセル10の充電に適した電力に変換し、複数のバッテリセル10に与える。それにより、複数のバッテリセル10が充電される。
(2)効果
第2の実施の形態に係る電動自動車600においては、第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置200およびそれを備えるバッテリシステム500が設けられる。バッテリ制御装置200においては、複数のバッテリセル10に流れる電流に基づいて電圧値算出部240により各バッテリセル10の端子電圧が算出される。それにより、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部をバッテリ制御装置200に設けることなく、バッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。
第2の実施の形態に係る電動自動車600においては、第1の実施の形態に係るバッテリ制御装置200およびそれを備えるバッテリシステム500が設けられる。バッテリ制御装置200においては、複数のバッテリセル10に流れる電流に基づいて電圧値算出部240により各バッテリセル10の端子電圧が算出される。それにより、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部をバッテリ制御装置200に設けることなく、バッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。
したがって、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部を電動自動車600に設ける必要がない。これにより、電動自動車600の構成の複雑化およびコストの増加を抑制することができる。
(3)他の移動体
上記では、図1のバッテリシステム500が電動車両に搭載される例について説明したが、バッテリシステム500が船、航空機、エレベータまたは歩行ロボット等の他の移動体に搭載されてもよい。
上記では、図1のバッテリシステム500が電動車両に搭載される例について説明したが、バッテリシステム500が船、航空機、エレベータまたは歩行ロボット等の他の移動体に搭載されてもよい。
バッテリシステム500が搭載された船は、例えば、図15の車体610の代わりに船体を備え、駆動輪603の代わりにスクリューを備え、アクセル装置604の代わりに加速入力部を備え、ブレーキ装置605の代わりに減速入力部を備える。運転者は、船体を加速させる際にアクセル装置604の代わりに加速入力部を操作し、船体を減速させる際にブレーキ装置605の代わりに減速入力部を操作する。この場合、バッテリモジュール100(図1)の電力によりモータ602Mが駆動され、モータ602Mの回転力がスクリューに伝達されることにより推進力が発生し、船体が移動する。
同様に、バッテリシステム500が搭載された航空機は、例えば、図15の車体610の代わりに機体を備え、駆動輪603の代わりにプロペラを備え、アクセル装置604の代わりに加速入力部を備え、ブレーキ装置605の代わりに減速入力部を備える。バッテリシステム500が搭載されたエレベータは、例えば、図15の車体610の代わりに籠を備え、駆動輪603の代わりに籠に取り付けられる昇降用ロープの巻上モータを備え、アクセル装置604の代わりに加速入力部を備え、ブレーキ装置605の代わりに減速入力部を備える。バッテリシステム500が搭載された歩行ロボットは、例えば、図15の車体610の代わりに胴体を備え、駆動輪603の代わりに足を備え、アクセル装置604の代わりに加速入力部を備え、ブレーキ装置605の代わりに減速入力部を備える。
このように、バッテリシステム500が搭載された移動体においては、バッテリモジュール100からの電力が動力源(モータ)により動力に変換され、その動力によって移動本体部(車体、船体、機体または胴体)が移動する。この場合、各バッテリセル10の端子電圧を検出するための電圧検出部を移動体に設ける必要がない。これにより、移動体の構成の複雑化およびコストの増加を抑制することができる。
[3]第3の実施の形態
以下、第3の実施の形態に係る電源装置について説明する。
以下、第3の実施の形態に係る電源装置について説明する。
(1)構成および動作
本実施の形態に係る電源装置は、図16は、第3の実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態に係る電源装置は、図16は、第3の実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。
図16に示すように、電源装置800は、電力貯蔵装置810および電力変換装置820を備える。電力貯蔵装置810は、バッテリシステム群811およびコントローラ812を備える。バッテリシステム群811は複数のバッテリシステム500を含む。各バッテリシステム500は、直列に接続された複数のバッテリモジュール100(図1)を含む。複数のバッテリシステム500は互いに並列に接続されてもよく、または互いに直列に接続されてもよい。
コントローラ812は、例えばCPUおよびメモリ、またはマイクロコンピュータからなる。コントローラ812には、バッテリシステム群811のバッテリ制御装置200(図1)から出力部280(図1)を介して複数のバッテリセル10のSOCおよび複数のバッテリセル10に流れる電流が与えられる。コントローラ812は、与えられた複数のバッテリセル10のSOCおよび複数のバッテリセル10に流れる電流に基づいて、複数のバッテリセル10の充電量を算出する。また、コントローラ812は、複数のバッテリセル10の充電量に基づいて電力変換装置820を制御する。コントローラ812は、バッテリシステム500のバッテリモジュール100の放電または充電に関する制御として、後述する制御を行う。図16の電源装置800においては、バッテリシステム500が図1のバッテリ制御装置200を有さず、コントローラ812がバッテリ制御装置200の機能を有していてもよい。
電力変換装置820は、DC/DC(直流/直流)コンバータ821およびDC/AC(直流/交流)インバータ822を含む。DC/DCコンバータ821は入出力端子821a,821bを有し、DC/ACインバータ822は入出力端子822a,822bを有する。DC/DCコンバータ821の入出力端子821aは電力貯蔵装置810のバッテリシステム群811に接続される。DC/DCコンバータ821の入出力端子821bおよびDC/ACインバータ822の入出力端子822aは互いに接続されるとともに電力出力部PU1に接続される。DC/ACインバータ822の入出力端子822bは電力出力部PU2に接続されるとともに他の電力系統に接続される。電力出力部PU1,PU2は例えばコンセントを含む。電力出力部PU1,PU2には、例えば種々の負荷が接続される。他の電力系統は、例えば商用電源または太陽電池を含む。電力出力部PU1,PU2および他の電力系統が電源装置に接続される外部の例である。
DC/DCコンバータ821およびDC/ACインバータ822がコントローラ812によって制御されることにより、バッテリシステム群811の放電および充電が行われる。
バッテリシステム群811の放電時には、バッテリシステム群811から与えられる電力がDC/DCコンバータ821によりDC/DC(直流/直流)変換され、さらにDC/ACインバータ822によりDC/AC(直流/交流)変換される。
DC/DCコンバータ821によりDC/DC変換された電力が電力出力部PU1に供給される。また、DC/ACインバータ822によりDC/AC変換された電力が電力出力部PU2に供給される。このように、電力出力部PU1から外部に直流の電力が出力され、電力出力部PU2から外部に交流の電力が出力される。さらに、DC/ACインバータ822により交流に変換された電力が他の電力系統に供給されてもよい。
コントローラ812は、バッテリシステム500のバッテリモジュール100の放電に関する制御の一例として、次の制御を行う。バッテリシステム群811の放電時に、コントローラ812は、複数のバッテリセル10の充電量に基づいてバッテリシステム群811の放電を停止するか否かを判定し、判定結果に基づいて電力変換装置820を制御する。具体的には、バッテリシステム群811に含まれる複数のバッテリセル10(図1)のうちいずれかのバッテリセル10の充電量が予め定められたしきい値よりも小さくなると、コントローラ812は、バッテリシステム群811の放電が停止されまたは放電電流(または放電電力)が制限されるようにDC/DCコンバータ821およびDC/ACインバータ822を制御する。これにより、各バッテリセル10の過放電が防止される。
一方、バッテリシステム群811の充電時には、他の電力系統から与えられる交流の電力がDC/ACインバータ822によりAC/DC(交流/直流)変換され、さらにDC/DCコンバータ821によりDC/DC(直流/直流)変換される。DC/DCコンバータ821からバッテリシステム群811に電力が与えられることにより、バッテリシステム群811に含まれる複数のバッテリセル10(図1)が充電される。
コントローラ812は、バッテリシステム500のバッテリモジュール100の充電に関する制御の一例として、次の制御を行う。
バッテリシステム群811の充電時に、コントローラ812は、複数のバッテリセル10の充電量に基づいてバッテリシステム群811の充電を停止するか否かを判定し、判定結果に基づいて電力変換装置820を制御する。具体的には、バッテリシステム群811に含まれる複数のバッテリセル10(図1)のうちいずれかのバッテリセル10の充電量が予め定められたしきい値よりも大きくなると、コントローラ812は、バッテリシステム群811の充電が停止されまたは充電電流(または充電電力)が制限されるようにDC/DCコンバータ821およびDC/ACインバータ822を制御する。これにより、各バッテリセル10の過充電が防止される。
なお、電源装置800と外部との間で互いに電力を供給可能であれば、電力変換装置820がDC/DCコンバータ821およびDC/ACインバータ822のうちいずれか一方のみを有してもよい。また、電源装置800と外部との間で互いに電力を供給可能であれば、電力変換装置820が設けられなくてもよい。
図17は、図16の電源装置800に対応する充電器1000の構成を示すブロック図である。本実施の形態において、図16の電源装置800の複数のバッテリシステム500は、図1の充電器400に代えて図17の充電器1000に接続される。このように、電源装置800と図17の充電器1000とが接続されることにより、充電システム1が構成される。
図17に示すように、充電器1000は、充電部1020および充電制御装置900を備える。充電部1020は、以下の点を除いて、図1の充電部420と同様の構成を有する。
充電部1020は、外部電源700に接続されるとともに、後述する複数の外部コネクタCN3に接続される。それにより、充電部1020は、複数の外部コネクタCN3を介して複数のバッテリシステム群811(図16)に含まれる複数のバッテリセル10を充電する機能を有する。また、外部電源700は、電力系統として図16の電力変換装置820に接続されてもよい。この場合、外部電源700は、複数のバッテリシステム群811(図16)に含まれる複数のバッテリセル10を充電する。
充電制御装置900は、電圧検出部920、均等化部940、通信部950、制御部960および出力部980を含む。また、充電制御装置900は、複数の外部コネクタCN3を有する。
電圧検出部920は、図16のバッテリシステム群811の複数のバッテリシステム500に含まれる複数のバッテリセル10の各々の端子電圧を検出する機能を有する点を除いて、図2の電圧検出部320と同様の構成を有する。均等化部940は、図16のバッテリシステム群811の複数のバッテリシステム500に含まれる複数のバッテリセル10の開放電圧を均等化する機能を有する点を除いて、図2の均等化部340と同様の構成を有する。
通信部950、制御部960および出力部980は、それぞれ図2の通信部950、制御部960および出力部380と同様の構成を有する。各外部コネクタCN3は、図2の複数の接続端子301に代えて接続端子901を有する点、および図2の接続端子302に代えて接続端子902を有する点を除いて、図2の外部コネクタCN2と同様の構成を有する。
充電制御装置900の外部コネクタCN3が図16のバッテリシステム群811のバッテリシステム500の外部コネクタCN1(図1)に接続されることにより、外部コネクタCN1の複数の接続端子201(図1)と外部コネクタCN3の複数の接続端子901とが接続されるとともに、外部コネクタCN1の接続端子202(図1)と外部コネクタCN3の接続端子902とが接続される。
均等化部940は、複数の外部コネクタCN3の複数の接続端子901に接続される。また、均等化部940は電圧検出部920に接続される。通信部950は、複数の外部コネクタCN3の接続端子902に接続される。
制御部960は、均等化部940および電圧検出部920を介して、バッテリシステム500のバッテリモジュール100が電力貯蔵装置810(図16)に接続されたことを検出する。また、通信部950は、バッテリモジュール100が電力貯蔵装置810に接続されたことを示す接続信号をバッテリシステム500の接続判別部270(図1)に送信する。この場合、例えば、バッテリシステム500が電力貯蔵装置810に接続されたときに作動する機械的または電気的なスイッチが電力貯蔵装置810に設けられる。通信部950は、電力貯蔵装置810のスイッチの作動に応答して接続信号を送信する。
制御部960は、バッテリシステム500の各バッテリセル10の端子電圧を出力部980に表示させるとともに、各バッテリセル10の端子電圧を通信部950に与える。通信部950は、外部コネクタCN3が外部コネクタCN1に接続された状態で、制御部960から与えられた各バッテリセル10の端子電圧を示す電圧情報を外部コネクタCN3の接続端子902および外部コネクタCN1の接続端子202を通してバッテリシステム500の通信部250(図1)に送信する。
(2)効果
本実施の形態に係る電源装置800においては、コントローラ812によりバッテリシステム群811と外部との間の電力の供給が制御される。これにより、一部のバッテリセル10の過充電および過放電を防止することができる。その結果、バッテリセル10の劣化を防止することができる。
本実施の形態に係る電源装置800においては、コントローラ812によりバッテリシステム群811と外部との間の電力の供給が制御される。これにより、一部のバッテリセル10の過充電および過放電を防止することができる。その結果、バッテリセル10の劣化を防止することができる。
また、この電源装置800においては、充電制御装置900の電圧検出部920により検出された各バッテリセル10の正確な端子電圧に関する電圧情報が、通信部950からバッテリ制御装置200の通信部250に送信される。そして電圧値算出部240により算出および補正された端子電圧が電圧情報に基づいて電圧値更新部260により更新される。その結果、バッテリ制御装置200の構成の複雑化およびコストの増加を抑制しつつバッテリ制御装置200において各バッテリセル10の端子電圧を得ることができる。
この場合、バッテリ制御装置200には各バッテリセルの電圧を検出するための電圧検出部を設ける必要がないので、バッテリ制御装置200の構成の複雑化およびコストの増加が抑制される。また、充電制御装置900は複数のバッテリ制御装置200に共通に用いることができるので、バッテリ制御装置200および充電制御装置900の全体としてのコストを低減することができる。
[4]他の実施の形態
(1)上記実施の形態において、処理部210は、複数のバッテリセル10に共通に1つの電圧レンジ判定部220を含むが、これに限定されない。図18は、処理部210の他の構成を示すブロック図である。図18の処理部210は、複数のバッテリセル10に対応して複数の電圧レンジ判定部220をそれぞれ含む。図18の電圧レンジ判定部220には図3Aのスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12が設けられない。図18の処理部210の他の部分の構成および動作は図3Aの処理部210の構成および動作と同様である。図18の処理部210では、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12の切り替えを行う必要がないので、電圧レンジの判定に要する時間をより短縮することができる。
(1)上記実施の形態において、処理部210は、複数のバッテリセル10に共通に1つの電圧レンジ判定部220を含むが、これに限定されない。図18は、処理部210の他の構成を示すブロック図である。図18の処理部210は、複数のバッテリセル10に対応して複数の電圧レンジ判定部220をそれぞれ含む。図18の電圧レンジ判定部220には図3Aのスイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12が設けられない。図18の処理部210の他の部分の構成および動作は図3Aの処理部210の構成および動作と同様である。図18の処理部210では、スイッチング素子SW01,SW02,SW11,SW12の切り替えを行う必要がないので、電圧レンジの判定に要する時間をより短縮することができる。
(2)上記実施の形態の電圧レンジ判定部220では、バッテリセル10の端子電圧V1,V2がコンデンサC1に充電された後に比較器223に与えられるが、これに限定されない。バッテリセル10の端子電圧V1,V2の時間的変化が小さい場合には、バッテリセル10の端子電圧V1,V2が比較器223に直接与えられてもよい。この場合、スイッチング素子SW21,SW22,SW31,SW32およびコンデンサC1が不要となる。それにより、スイッチング素子SW21,SW22,SW31,SW32の切り替えおよびコンデンサC1の充電を行う必要がないので、電圧レンジの判定に要する時間をさらに短縮することができる。
(3)上記実施の形態においては、均等化処理時に複数のバッテリセル10のうちの一部のバッテリセル10が放電される。これに限らず、均等化処理時に複数のバッテリセル10のうちの一部のバッテリセル10が充電されてもよい。この場合、例えば図2の均等化部340において、各バッテリセル10に対応する抵抗Rに代えて電源が設けられる。
(4)上記実施の形態においては、複数のバッテリセル10の充電状態として開放電圧(OCV)を均等化する例を示したが、これに代えて複数のバッテリセル10のSOC、残容量、放電深度(DOD)、電流積算値および蓄電量差のうちいずれかを充電状態として均等化してもよい。
バッテリセル10の残容量は、例えば各バッテリセル10のSOCを算出した後、SOCに予め測定された満充電容量を乗算することにより得られる。
DODは、バッテリセル10の満充電容量に対する充電可能容量(バッテリセル10の満充電容量から残容量を減算した容量)の比率であり、(100−SOC)[%]で表すことができる。バッテリセル10のDODは、各バッテリセル10のSOCを算出した後、算出されたSOCを100から減算することにより得られる。
また、電流積算値は、例えば複数のバッテリセル10の各々について充電または放電時の所定期間中に流れる電流を検出し、その検出値を積算することにより得られる。この場合、複数のバッテリセル10の各々に流れる電流の値を検出するための電流検出部が設けられる。
さらに、蓄電量差は、例えば上記実施の形態と同様に各バッテリセル10のSOCを算出した後、算出されたSOCと予め定められた基準SOC(例えばSOC50[%])との差を算出することにより得られる。
(5)上記実施の形態における均等化処理において、制御部360は均等化処理が必要な各バッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWを同時にオンにし、均等化に必要な放電時間が経過したバッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWを順次オフにするが、これに限定されない。例えば、制御部360は、均等化に必要な放電時間に基づいて、均等化処理が必要な各バッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWを順次オンにしてもよい。この場合、全てのバッテリセル10について同時に均等化処理が終了するので、制御部360は均等化処理が必要な各バッテリセル10に接続されたスイッチング素子SWを同時にオフにする。
(6)上記実施の形態においては、各バッテリセル10の内部インピーダンスは、充電開始直前の端子電圧、充電開始直後の端子電圧、充電開始直前の電流および充電開始直後の電流により算出されるが、これに限定されない。例えば、バッテリセル10の充電中の充電電流の変化および端子電圧の変化を測定することにより各バッテリセル10の内部インピーダンスが算出されてもよい。
(7)上記実施の形態においては、バッテリセル10の内部インピーダンスとして抵抗成分のみを用いてバッテリセル10の端子電圧が算出されるが、これに限定されない。図19は、バッテリセル10の等価回路の一例を示す図である。図19の例では、バッテリセル10の等価回路は、コンデンサC2と抵抗Rcとの並列回路10a、コンデンサC3および電源PSを含む。並列回路10aおよびコンデンサC3は電源PSに直列に接続される。図19に示すように、内部インピーダンスとして、抵抗RcおよびコンデンサC2,C3を用いてバッテリセル10の端子電圧が算出されてもよい。これにより、各バッテリセル10の端子電圧がより正確に算出される。
(8)上記実施の形態において、充電制御装置300の制御部360は、各バッテリセル10の内部インピーダンス、SOCおよび温度の関係を保持していてもよい。この場合、各バッテリセル10のSOCおよび温度に基づいて各バッテリセル10の正確な内部インピーダンスが得られる。
(9)制御部360は、図14のステップS210で算出された各バッテリセル10の内部インピーダンスに基づいて、各バッテリセル10の内部インピーダンス、SOCおよび温度の関係を補正してもよく、補正された関係は電動自動車600の主制御部608に送信されてもよい。
(10)上記実施の形態におけるバッテリモジュール100は、図1の例では3個のバッテリセル10を含み、図3Aおよび図18の例では2個のバッテリセル10を含むが、これに限定されない。バッテリモジュール100は、より多数のバッテリセル10を含んでもよい。
(11)上記実施の形態においては、バッテリシステム500が充電器400に接続された場合、充電制御装置300の通信部350が接続信号を送信し、バッテリ制御装置200の通信部250が接続信号を受信するが、これに限定されない。例えばバッテリシステム500が充電器400に接続された場合、バッテリ制御装置200の通信部250が接続信号を送信し、充電制御装置300の通信部350が接続信号を受信してもよい。この場合、例えば、バッテリシステム500が充電器400に接続されたときに作動する機械的または電気的なスイッチがバッテリシステム500に設けられる。通信部250は、バッテリシステム500のスイッチの作動に応答して接続信号を送信する。
(12)上記実施の形態において、制御部360は、電圧検出部320により検出した各バッテリセル10の端子電圧を出力部380に表示させるが、これに限定されない。制御部360は、電圧検出部320により検出した各バッテリセル10の端子電圧とともに、端子電圧値が更新された旨および検出された各バッテリセル10の端子電圧に基づいて補正されたSOCを表示してもよい。
この場合、例えば、充電制御装置300の通信部350は、図12のステップS105において電圧補正部246により補正されたSOCに関するSOC情報を、バッテリ制御装置200の通信部250から受信する。その後、通信部350は、受信したSOC情報を制御部360に与える。
または、制御部360が電圧検出部320により検出された各バッテリセル10の端子電圧に基づいて、SOCを算出してもよい。この場合、制御部360は、各バッテリセル10の端子電圧および内部インピーダンスから、各バッテリセル10のOCVを算出する。その後、SOCは、例えば図11の関係を参照することにより求められる。
(13)上記実施の形態においては、充電制御装置300に均等化部340が設けられるが、これに限定されない。充電制御装置300に均等化部340が設けられず、バッテリ制御装置200に均等化部340が設けられてもよい。
(14)上記実施の形態においては、バッテリ制御装置200およびバッテリシステム500を電動自動車600に用いる例を説明したが、バッテリ制御装置200およびバッテリシステム500は、充放電が可能な複数のバッテリセル10を備える民生機器に用いることもできる。
[5]請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態においては、バッテリセル10がバッテリセルの例であり、電圧検出部320,920が電圧検出部の例であり、充電制御装置300,900が外部装置および充電制御装置の例である。バッテリ制御装置200がバッテリ制御装置の例であり、電圧値算出部240が算出部の例であり、通信部250が受信部の例であり、電圧値更新部260が更新部の例である。電圧レンジ判定部220がレンジ判定部の例であり、接続判別部270が接続判別部の例であり、外部コネクタCN1が外部端子部の例であり、接続端子201が接続端子の例であり、出力部280が出力部の例である。
バッテリシステム500がバッテリシステムの例であり、モータ602Mがモータの例であり、駆動輪603が駆動輪の例であり、電動自動車600が電動車両の例である。通信部350,950が送信部の例であり、充電部420,1020が充電部の例であり、充電器400,1000が充電器の例である。
車体610、船の船体、航空機の機体、エレベータの籠および歩行ロボットの胴体が移動本体部の例であり、モータ602M、駆動輪603、スクリュー、プロペラ、昇降用ロープの巻上モータおよび歩行ロボットの足が動力源の例であり、電動自動車600、船、航空機および歩行ロボットが移動体の例である。充電システム1が充電システムの例であり、コントローラ812がシステム制御部の例である。電力貯蔵装置810が電力貯蔵装置の例であり、電源装置800が電源装置の例であり、電力変換装置820が電力変換装置の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
本発明は、電力を駆動源とする種々の移動体、電力の貯蔵装置またはモバイル機器等に有効に利用することができる。
Claims (15)
- 直列接続された複数のバッテリセルに接続されるとともに、前記複数のバッテリセルの各々の電圧を検出する電圧検出部を有する外部装置に接続可能に構成されたバッテリ制御装置であって、
前記複数のバッテリセルに流れる電流に基づいて各バッテリセルの電圧を算出する算出部と、
前記外部装置から前記電圧検出部により検出された各バッテリセルの電圧に関する電圧情報を受信する受信部と、
前記受信部により受信された前記電圧情報に基づいて前記算出部により算出された電圧を更新する更新部とを備える、バッテリ制御装置。 - 各バッテリセルの電圧が予め定められた電圧レンジに属するか否かを判定するレンジ判定部をさらに備え、
前記算出部は、前記レンジ判定部による判定結果に基づいて各バッテリセルの前記電圧を補正する、請求項1記載のバッテリ制御装置。 - 前記レンジ判定部は、基準電圧と各バッテリセルの電圧との比較結果に基づいて各バッテリセルの電圧が前記電圧レンジに属するか否かを判定する、請求項2記載のバッテリ制御装置。
- 当該バッテリ制御装置に前記外部装置が接続されたことを判別する接続判別部をさらに備える、請求項1記載のバッテリ制御装置。
- 前記更新部は、前記接続判別部による接続の判別に応答して前記電圧情報に基づいて前記電圧を更新する、請求項4記載のバッテリ制御装置。
- 前記外部装置に接続可能な外部端子部をさらに備え、
前記外部端子部は、前記複数のバッテリセルの各々の電極端子に電気的に接続される複数の接続端子を含む、請求項1記載のバッテリ制御装置。 - 前記複数のバッテリセルの充電状態に関する情報を出力する出力部をさらに備える、請求項1記載のバッテリ制御装置。
- 直列接続された複数のバッテリセルと、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項1記載のバッテリ制御装置とを備える、バッテリシステム。 - 直列接続された複数のバッテリセルと、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項1記載のバッテリ制御装置と、
前記複数のバッテリセルの電力により駆動されるモータと、
前記モータの回転力により回転する駆動輪とを備える、電動車両。 - 請求項1記載のバッテリ制御装置および複数のバッテリセルに前記外部装置として接続可能に構成された充電制御装置であって、
前記複数のバッテリセルの各々の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧に関する電圧情報を前記バッテリ制御装置に送信する送信部とを備える、充電制御装置。 - 複数のバッテリセルを充電するための充電部と、
前記複数のバッテリセルに接続可能に構成される請求項10記載の充電制御装置とを備える、充電器。 - 直列接続された複数のバッテリセルと、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項1記載のバッテリ制御装置と、
移動本体部と、
前記複数のバッテリセルからの電力を前記移動本体部を移動させるための動力に変換する動力源とを備える、移動体。 - 直列接続された複数のバッテリセルと、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項1記載のバッテリ制御装置と、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項11記載の充電器とを備える、充電システム。 - 直列接続された複数のバッテリセルと、
前記複数のバッテリセルに接続される請求項1記載のバッテリ制御装置と、
前記複数のバッテリセルの充電または放電に関する制御を行うシステム制御部とを備える、電力貯蔵装置。 - 外部に接続可能な電源装置であって、
請求項14記載の電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置の前記システム制御部により制御され、前記電力貯蔵装置の前記複数のバッテリセルと前記外部との間で電力変換を行う電力変換装置とを備える、電源装置。
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